重温四大基础数据结构：数组链表队列和栈

Posted 2021-09-23 “逛丢一只鞋”

文章目录

• 前言
• 数组
• 链表
• 队列
• 栈

前言

数组、链表、队列、栈，是数据结构中最基础的四大结构，数组和链表更是基础中的基础，后续所有复杂的数据结构都是在它们的基础上演变而来的。

本节，我们就来重温这四大结构。

数组

关于数组，大家都比较熟悉了。

它是一种线性数据结构，使用一组连续的内存空间存储一组具有相同类型的数据。

这个概念中有三个关键词：线性、连续、相同类型。

线性，表示没有分叉，任意元素的前后元素最多只有一个，同样是线性结构的还有链表、队列等。

连续，它在内存空间中的存储是连续的，不间断的，前后两个元素紧挨着，不存在间隙。

相同类型，数组中存储的元素的类型一定是相同的，当然，在Java中，你可以使用Object代表所有类型，本质上，它们依然是相同类型。

正是有了上面三个特性，才使得数组具有了随机访问的特性，那么，什么是随机访问呢？

简单点说，你可以通过下标快速定位到数组中的元素，且时间复杂度是O(1)，它是怎么做到的呢？

我们知道，计算机中只有0和1，一切的一切都可以看作是0和1的各种组合，内存也是一样。

当我们创建一个数组，比如int[] array = new int[]{2, 5, 8, 7};时，它其实返回的是这个数组在内存中的位置（地址），我们知道，一个int类型占用4个字节，也就是32位的0或1，当我们访问数组下标为0的元素时，直接返回数组地址处取32位转成int即可，同样地，当我们访问数组下标为1的元素时，返回数组地址加上(32*1)的地址处取32位转成int，依此类推。

这也是大部分语言中数组下标从0开始的原因，试想如果下标从1开始，那么，计算内存地址的时候就变成了address + 32 * (i - 1)，这显然会造成一定的性能损耗。

链表

链表，它也是一种线程数据结构，与数组不同的是，它在内存空间中不一定是顺序存储的，为了保证链表中元素的连续性，一般使用一个指针来找到下一个元素。

上图是典型的单链表结构，在单链表中，只有一个指向下一个元素的指针。

如果要用Java类来表示单链表中的元素节点的话，大概看起来像这样子：

class Node {
    int value;
    Node next;
}

所以，链表不具有随机访问的特性，在链表中根据索引来查找元素只能从头开始（单链表），它的时间复杂度是O(n)。

上面我们说的是单链表，如果在单链表的基础上再增加一个前驱指针（指向前一个元素的指针），就变成了双向链表。

Java中的LinkedList就是典型的双向链表结构，双向链表既可以当作队列使用，又可以当作栈来使用，非常方便。

如果在双向链表的基础上再增加HashMap的功能，就变成了LinkedHashMap了，咳咳，扯远了。

希望学习LinkedList和LinkedHashMap源码解析的同学，可以关注我的公号主“彤哥读源码”。

这里提到了队列，那么，什么是队列呢？

队列

所谓队列，其实跟现实中的排队是一样的，其中的元素从一端进入，从另一端出去，英文叫做：First In，First Out，简写FIFO。

从这张图，也可以看出来，实现队列最简单的方式就是使用链表，把上图中的箭头倒过来即可。

入队时，将元素加入到链表尾端，出队时，将第一个元素删除并将头节点指向下一个节点即可。

让我们来看看使用链表实现队列的简单代码实现：

public class LinkedQueue {
    Node head;
    Node tail;

    void offer(Integer value) {
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        Node node = new Node(value);
        if (head == null) {
            head = tail = node;
        } else {
            tail.next = node;
            tail = node;
        }
    }

    Integer poll() {
        Node first = head;
        if (first != null) {
            head = first.next;
            first.next = null;
            return first.value;
        } else {
            return null;
        }
    }

    static class Node {
        int value;
        Node next;

        public Node(int value) {
            this.value = value;
        }
    }
}

是不是很简单呢？

那么，数组能不能实现队列呢？

答案是肯定的，使用数组实现队列有很多种方式，其中一种是使用两个指针：入指针、出指针，它们分别指向下一个入队列和下一个出队列的位置。

入队时，在入指针处放入元素，同时入指针后移。

出队时，取出出指针处的元素返回，同时出指针后移。

当指针到达数组末尾时，返回数组开始的位置。

这样就形成了一个可以循环使用的数组，俗称环形数组。

此时，我们考虑一个问题，队列空和队列满时，两个指针都是指向同一个位置，似乎不太好处理。

其实，很简单，引入一个size变量标识队列中有多少个元素即可。

所以，这玩意儿要怎么实现呢？Show me the code!

public class ArrayQueue {
    int[] array;
    int offerIndex;
    int pollIndex;
    int size;

    public ArrayQueue(int capacity) {
        this.array = new int[capacity];
        this.offerIndex = this.pollIndex = 0;
        this.size = 0;
    }

    boolean offer(Integer value) {
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

        if (size == array.length) {
            return false;
        }

        array[offerIndex] = value;
        offerIndex = (offerIndex + 1) % array.length;

        size++;

        return true;
    }

    Integer poll() {
        if (size == 0) {
            return null;
        }

        int value = array[pollIndex];
        pollIndex = (pollIndex + 1) % array.length;

        size--;

        return value;
    }
}

OK，以上就是使用数组实现的队列，可以看到，与链表实现的队列相比，它需要指定容量，这叫做有界队列，如果需要使用数组实现无界队列，则需要加入扩容的机制，有兴趣的同学可以自己实现看看。

下面，我们再来看另一种基础的数据结构——栈。

栈

栈，它是与队列表现完全相反的数据结构，它的元素是先进的后出来，就像我们往一个杯子里面放东西一样，先放进去的放在最下面，只有把上面的东西拿出来后才能拿出下面压着的东西，这种行为用英文叫做：First In，Last Out，简称FILO。

栈，具有很多用处，计算机中很多处理都是通过栈这种数据结构来进行的，比如算术运算，准备两个栈，一个栈存储数字，一个栈存储符号，从头开始依次把字符压入到这两个栈中，当遇到符号优先级比栈顶元素低时，则取出栈顶符号，并从数字栈中取出两个数字进行运算，运算的结果再压回数字栈中，继续以此运行，当所有字符都放入栈之后，依次从数字栈中取出两个元素，并从符号栈中取出一个元素，进行计算，结果压回数字栈，继续以此运行，直到符号栈为空，或者数字栈只剩下一个元素为止，弹出这个数字即为最后的结果。

以3 + 2 * 4 -1为例：

好了，关于栈，我们就简单介绍到这里，后面，我们还会大量遇到这个数据结构。